柴　峰

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱　150040)

1.65 MW半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柴峰

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

摘要：詳細(xì)論述了1.65 MW半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，歸納了風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛及磁極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及安裝方法，明確了發(fā)電機(jī)重要承載轉(zhuǎn)動(dòng)部件的材料及性能要求，同時(shí)給出了永磁體的基本性能參數(shù)，并應(yīng)用解析法和有限元方法分別對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部分相應(yīng)部件的機(jī)械性能及運(yùn)行特性進(jìn)行了分析計(jì)算，為半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；永磁；轉(zhuǎn)子；機(jī)械特性；熱套

0引言

近年來全球風(fēng)力發(fā)電發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已經(jīng)有越來越多的國(guó)家把發(fā)展風(fēng)力發(fā)電作為未來電力投資的重點(diǎn)。風(fēng)力發(fā)電對(duì)于解決能源危機(jī)、緩解環(huán)境污染狀況都有十分重要的意義[1]。目前我國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)上雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)是主流，技術(shù)相對(duì)成熟。雙饋式技術(shù)通過多級(jí)增速箱驅(qū)動(dòng)雙饋異步發(fā)電機(jī)，在風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間經(jīng)增速齒輪傳動(dòng)來提高轉(zhuǎn)速以達(dá)到適合異步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，齒輪箱變速比大，齒輪箱設(shè)計(jì)，制造存在一定難度。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)則靠風(fēng)力機(jī)直接拖動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電，因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致電機(jī)極數(shù)過多，體積過大，給設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、安裝、維護(hù)、維修等諸多方面造成很大困難。

近年來半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的一個(gè)發(fā)展方向。半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合了雙饋和直驅(qū)兩者的優(yōu)點(diǎn)，一方面它的齒輪箱變速比相對(duì)較低，齒輪箱的損耗明顯下降；另一方面發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和極數(shù)提高的同時(shí)，發(fā)電機(jī)的體積也大幅減小。半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)其質(zhì)量與直驅(qū)相比更輕，其可靠性與雙饋相比更高。傳動(dòng)鏈無齒輪軸，屬一級(jí)增速齒輪箱，對(duì)風(fēng)力的適應(yīng)范圍較寬，發(fā)電機(jī)的利用率較高[2]。因此，半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)必將在未來的風(fēng)電領(lǐng)域占據(jù)重要的地位。

1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)介紹及分析

1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速150 r/min，最大轉(zhuǎn)速180 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)部分由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁極、輔助部件等組成。轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)軸之間采用熱套工藝固定，轉(zhuǎn)子支架磁軛圈外側(cè)設(shè)置有T尾槽；轉(zhuǎn)子磁極沖片采用扣鉚工藝分段壓制，并安裝磁鋼形成磁極單元；在磁軛圈外側(cè)配合面T尾槽處外掛轉(zhuǎn)子磁極，采用拉桿拉緊，配以楔形鍵及端部壓板固定，從而形成完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)。

1.1轉(zhuǎn)軸

轉(zhuǎn)軸的剛強(qiáng)度能滿足運(yùn)行中各種力的作用而不致產(chǎn)生殘余變形。轉(zhuǎn)軸在機(jī)組運(yùn)行過程中承擔(dān)著額定電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子以及自身的質(zhì)量，由于定、轉(zhuǎn)子不同心而產(chǎn)生的偏心磁拉力，此外還有與輪轂熱套引起的配合力，因此對(duì)轉(zhuǎn)軸的機(jī)械性能有比較高的要求[3]。1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸采用42 CrMo鍛鋼鍛制而成。表1給出了轉(zhuǎn)軸鍛件熱處理后的主要參數(shù)。

轉(zhuǎn)軸兩端由向心滾子軸承支撐，其兩端面分別安裝驅(qū)動(dòng)軸和制動(dòng)軸。轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子支架之間采用熱套工藝固定，轉(zhuǎn)子支架的軸向位置由轉(zhuǎn)軸上相應(yīng)的定位止口限定，轉(zhuǎn)子的裝配位置由發(fā)電機(jī)前后端蓋及向心滾子軸承的裝配位置決定。轉(zhuǎn)軸配合面需進(jìn)行精加工以確保轉(zhuǎn)子支架熱套后保持良好的同心度，轉(zhuǎn)軸兩端軸承配合面也需按照向心滾子軸承的安裝配合要求按過渡配合公差帶加工。

表1　轉(zhuǎn)軸鍛鋼材料特性要求

轉(zhuǎn)軸兩端面上按照同一分布直徑各加工24個(gè)螺孔，分別用來連接驅(qū)動(dòng)軸及制動(dòng)軸(見圖1)。同時(shí)應(yīng)在轉(zhuǎn)軸與驅(qū)動(dòng)軸之間噴涂摩擦劑，使其摩擦系數(shù)不小于0.5，同時(shí)配以高強(qiáng)度把合螺栓，增大驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)軸的把合壓力，使驅(qū)動(dòng)軸與轉(zhuǎn)軸之間主要采用摩擦傳遞轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)軸中間加工有軸向通孔，用以安裝管軸，管軸與轉(zhuǎn)軸在端部以滾動(dòng)軸承固定，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)管軸與轉(zhuǎn)軸間雙轉(zhuǎn)速同步傳遞狀態(tài)。

圖1　半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸

1.2轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架由輪轂、環(huán)板、磁軛圈等主要部件組成。發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子支架承受切向力，支撐發(fā)電機(jī)磁極及自身質(zhì)量帶來的離心力，同時(shí)還承受著與轉(zhuǎn)軸熱套所引起的應(yīng)力。

轉(zhuǎn)子支架內(nèi)側(cè)輪轂與外側(cè)磁軛圈之間用鋼板焊接固定，以保證轉(zhuǎn)子支架能夠承受不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的載荷。根據(jù)對(duì)多種工況下應(yīng)力的分析，確定在軸向中間位置焊接加強(qiáng)環(huán)板以支撐整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案，同時(shí)在加強(qiáng)環(huán)板兩側(cè)均布各加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋與環(huán)板間呈垂直角度，在降低轉(zhuǎn)子支架重量的同時(shí)保證其剛強(qiáng)度[4]。

圖2　轉(zhuǎn)子支架套軸加工圖

輪轂與轉(zhuǎn)軸之間采用熱套工藝固定。熱套緊量的確定需滿足發(fā)電機(jī)在不同工況下與轉(zhuǎn)軸配合的牢固性，輪轂與轉(zhuǎn)軸之間熱套緊量計(jì)算如下：

額定電磁扭矩為

(1)

式中，SN為發(fā)電機(jī)額定容量，kVA；nN為發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min。

所需最小配合力

(2)

最小單邊緊量計(jì)算值

δmin=Pmin·(λa+λz)(mm)

(3)

式中，λa為軸的柔度，mm/N；λz為輪轂和支架的柔度，mm/N；D為轉(zhuǎn)軸配合段直徑，mm。

磁軛圈是風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁路的組成部分，也是固定磁極的主要強(qiáng)度部件。轉(zhuǎn)子支架與轉(zhuǎn)軸熱套固定后，以轉(zhuǎn)軸為基準(zhǔn)在磁軛圈上加工T尾槽用以安裝磁極。T尾槽應(yīng)在數(shù)控銑床上加工，槽形尺寸及軸向分布尺寸公差需控制嚴(yán)格，以保證磁極掛裝牢固以及圓周方向氣隙的均勻度。

圖3　磁軛圈T尾槽結(jié)構(gòu)示意圖

T尾槽開口位置承受載荷主要為打鍵固定磁極產(chǎn)生的緊力、工況運(yùn)行時(shí)磁極產(chǎn)生的離心力。槽底位置加工后厚度變薄，該位置的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較弱。需對(duì)此進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析。

圖4　轉(zhuǎn)子支架剛強(qiáng)度及動(dòng)力特性分析

轉(zhuǎn)子支架為發(fā)電機(jī)主要承載部件，為確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，需對(duì)靜止、額定運(yùn)行、飛逸轉(zhuǎn)速等不同工況下轉(zhuǎn)子支架的剛強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同工況下，載荷有所區(qū)別。靜止工況下轉(zhuǎn)子支架承受載荷主要有自重、磁軛和磁極重，額定工況則還要承受額定轉(zhuǎn)矩離心力，飛逸工況下則要考慮飛逸轉(zhuǎn)速下的離心力[5]。不同工況下轉(zhuǎn)子支架最大應(yīng)力及最大變形計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　不同工況轉(zhuǎn)子支架有限元分析

不同工況下應(yīng)力最大值出現(xiàn)在輪轂內(nèi)圓位置，該處接觸面因熱套存在很大緊力。隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)動(dòng)部件自身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力逐漸增大，相應(yīng)的輪轂與轉(zhuǎn)軸之間的緊力被部分抵消，最大應(yīng)力值也相應(yīng)的減小[6]。從計(jì)算結(jié)果可知，不同工況下轉(zhuǎn)子支架的最大應(yīng)力以及徑向最大變形均可以滿足機(jī)組運(yùn)行的要求。

1.3磁極

磁極是永磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生主磁場(chǎng)的重要部件。1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子共32個(gè)極，每個(gè)磁極分為10個(gè)磁極單元，磁極單元分別由沖片及永磁體組成。轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片為中空T尾結(jié)構(gòu)形式，在沖片中間沖制矩形槽用以安裝永磁體，在矩形槽底部加工臺(tái)階以固定永磁體，防止其運(yùn)行過程中周向竄動(dòng)。在矩形槽左右兩側(cè)留有隔磁槽，隔磁槽頂端沖片寬度為1 mm，利用空氣與磁極沖片材料的磁阻差有效控制磁路方向，減少漏磁，以期最大限度發(fā)揮永磁體的勵(lì)磁功效。

表3　風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極參數(shù)

為了方便磁極的安裝，轉(zhuǎn)子每個(gè)槽內(nèi)磁極沿軸向分為10個(gè)磁極單元。由于永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)磁極沖片上需加工永磁體安裝槽，沒有足夠的空間安裝拉緊螺桿，因此選用扣鉚工藝將一個(gè)磁極單元的沖片壓制成整體?？坫T時(shí)先將一個(gè)磁極單元的疊片按照相對(duì)位置度固定，在沖片的相應(yīng)位置沖制若干凸起，各沖片的扣鉚點(diǎn)相互嵌入，從而將沖片沖結(jié)合成沖片單元?？坫T點(diǎn)的位置選擇需考慮工況運(yùn)行時(shí)沖片的受力情況，同時(shí)也要兼顧扣鉚加工的工藝要求。

圖5　轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)

1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖片加工15個(gè)扣鉚點(diǎn)，分別位于永磁體上下面以及T尾端部。因勵(lì)磁方向相同的永磁體間存在巨大排斥力，在磁極沖片的T尾位置加工螺桿孔，以便于磁極裝配后每個(gè)槽內(nèi)的10個(gè)磁極單元固定為一個(gè)完整磁極。

永磁體采用釹鐵硼材料，其軸向厚度與磁極單元的軸向厚度相匹配，外形尺寸與轉(zhuǎn)子沖片矩形槽的尺寸相適應(yīng)，其與磁極單元采用小間隙配合。釹鐵硼材料具有磁能積高，剩磁及矯頑力高，去磁曲線為直線等優(yōu)點(diǎn)，在電機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用[7]。不僅提高了氣隙磁密，從而使電機(jī)用鋼鐵量減少，體積縮小，還可有效地改善電機(jī)的性能，使其效率、功率因數(shù)大大提高。

1.65 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)選用永磁體的性能見表4。

表4　永磁體參數(shù)要求

永磁體與沖片單元裝配時(shí)，每個(gè)磁極所有磁極單元內(nèi)永磁體的充磁方向應(yīng)一致，相鄰磁極永磁體的充磁方向相反。永磁體安裝時(shí)需考慮其磁化性，避免使用導(dǎo)磁材料工具，必要時(shí)需設(shè)計(jì)專用安裝工具。

圖6　轉(zhuǎn)子磁極打鍵安裝示意圖

磁極與磁軛圈間安裝的牢固度直接關(guān)系到機(jī)組的運(yùn)行安全。1.65 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的磁極采用打徑向楔鍵的方式固定。在磁極的T尾及磁軛圈T型槽之間打入成對(duì)楔形磁極鍵，利用磁極鍵相互接觸的斜面將磁極與磁軛撐緊，防止其運(yùn)行時(shí)徑向及周向的松動(dòng)。磁極鍵的打緊力設(shè)置需在滿足磁軛圈機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)保證磁極安裝的穩(wěn)定。

2結(jié)語

發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)水平直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。本文以1.65 MW半直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算及安裝工藝等角度對(duì)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的研究和總結(jié)，應(yīng)用有限元方法，分析了不同工況下發(fā)電機(jī)主要轉(zhuǎn)動(dòng)部件的剛強(qiáng)度及機(jī)械特性，此外對(duì)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的主要受力部件及勵(lì)磁材料的性能提出了明確要求，得到一些具有工程意義的結(jié)論。文章不僅對(duì)大容量兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，同時(shí)對(duì)其他類似發(fā)電設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)也具有一定的參考性。

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作者簡(jiǎn)介:

柴峰，1982年生，男，工程師，碩士，2009年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，長(zhǎng)期從事水輪發(fā)電機(jī)及相關(guān)發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)工作。